不銹鋼材料車削質量控制方案探討

     我公司在近期的新產品試制中，一部分工件采用了不銹鋼等難加工材料，如3Cr13、3Cr13Mo、40CrNiMo、9CrMoV等，以往也曾加工過此類材質工件，雖然生產效率低，但都是批次少，數量少，生產周期短。大批量投產后，問題暴露出來，刀具磨損嚴重，磨刀次數增多，停機時間和機床調整時間增加，工件表面粗糙度差，切屑不易卷曲和折斷，劃傷工件已加工表面，直接影響工件的質量。
     以圖1所示工件為例，工件材質為3Cr13Mo，工藝要求除Ra0.8µm各外圓留磨外，均由數控車床加工完成。3Cr13Mo鋼強度、延伸率、斷面收縮率、沖擊性能等指標都比40鋼和45鋼高，是一種強度高、塑性好的中碳馬氏體不銹鋼。在工件試生產時，按車削普通碳鋼的工藝方法對3Cr13Mo鋼進行車削試驗，其結果是切削時加工硬化嚴重，切削抗力大，切削溫度高，且容易粘刀，產生積屑瘤，引起工件尺寸變化并影響工件形位公差和表面粗糙度。
 

圖1 工件

針對上述問題，從多個方面采取措施，使工件加工表面達到圖樣要求的尺寸和表面粗糙度，且保證了較高的生產效率。
1 熱處理改變材料的硬度
    馬氏體不銹鋼在熱處理后的不同硬度，對車削加工的影響很大。表1所示是采用YW2材料的車刀，車削熱處理后不同硬度的3Cr13M。材質工件的情況。從表1中可以看出，退火狀態(tài)的馬氏體不銹鋼雖然硬度低，但車削性能差，這是因為材料塑性和韌性大，組織不均勻，粘附、熔著性強，切削過程易產生刀瘤，不易獲得較好的表面質量。而調質處理后硬度在30HRC以下的3Cr13Mo材質工件加工性較好，易達到較好的表面質量。而硬度大于30HRC的工件，表面質量雖然較好，但刀具易磨損，所以，在機加工前先進行調質處理，硬度達到25～30HRC，然后再進行切削加工。

2 刀具材料的選擇
刀具材料的切削性能關系著刀具的耐用度和生產率，刀具材料的工藝性影響著刀具本身的制造與刃磨質量。
對刀具切削部分材料的選取原則是具有較高的耐磨性，并能在較高的溫度下保持其切削性能。
    目前常用的材料有:高速鋼和硬質合金。由于高速鋼只能在600℃以下保持其切削性能，而不銹鋼切削時產生的高溫往往高于60090，而硬質合金比高速鋼具有更好的耐熱性和耐磨性，因此用硬質合金材料制成的刀具更適合不銹鋼的切削加工。在切削參數相同的條件下，對幾種合金材料的刀具進行了車削對比試驗，見表2。

     從表2中可看出，采用TiC-TiCN-TiN復合涂層刀片的外圓車刀，耐用度比較高，工件表面質量好，生產率高。這是因為這種涂層硬質合金材料的刀片，具有更好的強度和韌性，又因其表面具有更高的硬度和耐磨性，更小的摩擦因數和更高的耐熱性，而成為車削不銹鋼的良好刀具材料。限于不具備這種材料的切斷刀片，通過表2的對比試驗可知，YW2硬質合金的切削性能也較好，因此可選用YW2材料的刀片作為切斷刀。
    加工不銹鋼時，由于切削力較大，故刀桿必須具備足夠的強度和剛度，以免在切削過程中發(fā)生顫振和變形。這就要求選用適當的刀桿截面積，同時還應采用強度較高的材料來制造刀桿，如采用調質處理的45鋼或50鋼。
3 刀具的幾何角度和結構的選取
     選擇合理的刀具幾何角度也是非常重要的，因為刀具幾何角度直接影響到刀具的切削性能，根據多年的加工經驗發(fā)現，加工不銹鋼時，刀具切削部分的幾何形狀，一般應從前角、后角方面的選擇來考慮。
     在選擇前角時，要考慮卷屑槽型、有無倒棱和刃傾角的正、負角度大小等因素，因為前角g0直接影響刀具的強度、導熱性及耐用度。從切削熱的產生和散熱方面考慮，增大前角可減小切削熱的產生，切削溫度不致于太高，刀具耐用度提高，但前角過大，則因刀頭散熱體積減小，散熱差，切削溫度反而升高，耐用度降低。減小前角可改善刀頭散熱條件，切削溫度有可能降低，但前角過小，則切削變形嚴重，切削產生的熱量不易散掉。一般情況下加工不銹鋼時都采用較大的前角，增大刀具的前角，可減小切屑切離和清除過程中所遇到的阻力，所以刀具前角g0取15°～20°較為適宜。
     對后角選擇要求不十分嚴格，但不宜過小，后角過小容易和工件表面產生嚴重摩擦，使加工表面粗糙度惡化，加速刀具磨損，并且由于強烈摩擦，增強了不銹鋼表面加工硬化的效應;刀具后角也不宜過大，后角過大，使刀具的楔角減小，降低了切削刃的強度，加速了刀具的磨損。通常，后角a0取5°～8°較合適，最大不超過10°。通常情況下刃傾角ls取-10°～-30°。負的刃傾角可保護刀尖，提高刀刃強度，但刃傾角ls絕對值增大時，參加切削的主切削刃長度增加，摩擦加劇，因此取ls為-10°。
     主偏角kr應根據工件的形狀、加工部位和裝刀情況來選擇。刀具切削部分表面粗糙度也是有要求的。降低刀具切削部分的表面粗糙度，可減少切屑形成卷曲時的阻力，提高刀具的耐用度，所以刃口表面粗糙度一般應為Ra0.4～0.2µm。
    在刀具結構上，對外圓車刀采用Y型(外斜式)圓弧斷屑槽，靠近刀尖處切屑卷曲半徑大，靠近外緣處切屑卷曲半徑小，切屑翻向待加工表面而折斷，斷屑情況好。
    對于切斷刀，將副偏角控制在1°以內，這樣可以改善排屑條件，延長刀具的使用壽命。
4 切削用量的選取
    切削用量對工件表面質量、刀具耐用度、加工生產率影響較大。而切削理論認為，切削速度Vc對切削溫度和刀具耐用度的影響最大，進給量f次之，ap最小，而數控車床一次走刀加工的表面，ap值是由工件尺寸與材料毛坯尺寸來決定的，一般為0～5mm，由于圖1所示工件尺寸較小，所以選取背吃刃量ap=3mm較為適宜。
    難加工材料的切削速度往往比普通鋼的切削速度低得多，因為速度的提高，就會使刀具嚴重磨損，而不同的不銹鋼材料又有各自不同的最佳切削速度，這個最佳切削速度只能通過試驗或查閱有關資料確定。對于加工3Cr13Mo材質工件，采用切削速度Vc=60～8Om/min。
    進給量f對刀具耐用度影響不如切削速度大，但會影響斷屑和排屑，從而影響工件表面的拉傷、擦傷，影響已加工的表面質量。f值大小通常取決于工件的直徑、主軸轉速以及加工工藝等，以車外圓和切斷為例，參考值如表3所示。

5 適用的冷卻潤滑液
車削不銹鋼用的冷卻潤滑液，應該具有以下幾個特點。
高的冷卻性能，保證能帶走大量的切削熱。
不銹鋼韌性大，切削時易產生刀瘤，惡化加工表面，這就要求冷卻潤滑液有高的潤滑性能，能起到較好的潤滑作用。
較好的滲透性，對不易被切離的切屑，能起到較好的楔裂作用、擴散和內潤滑作用。
常用的加工不銹鋼的冷卻潤滑液有硫化油、硫化豆油、煤油加油酸或植物油、四抓化碳加礦物油、乳化液等。
    考慮到硫對機床有一定的腐蝕作用，植物油(如豆油)容易附在機床上結癡和變質。選用了四抓化碳與機油按重量比為1:9的混合物，其中四抓化碳滲透性好，機油的潤滑性好。試驗證明，這種冷卻潤滑液適用于表面粗糙度值要求小的不銹鋼工件的半精加工和精加工，特別適合于馬氏體類不銹鋼工件的車加工。
6 結語
    通過以上的措施，對圖1所示3Cr13Mo材質工件的加工已完全達到正常狀態(tài)。磨刀次數只有試生產時的1/3，生產效率也較剛開始時大大提高，工件質量完全達到圖樣要求。